焊机电源的高可靠软起动方案与实现

杜汝全，王 剑，田联房

(华南理工大学 自动化科学与工程学院，广东 广州 510641)

焊机电源的高可靠软起动方案与实现

杜汝全，王 剑，田联房

(华南理工大学 自动化科学与工程学院，广东 广州 510641)

焊机电源由于包含带大电容负载的整流器，会存在软起动问题。在众多现有的焊机电源软起动方案中，在可靠性方面均存在不足。针对现有方案的缺点，提出了一种新型的高可靠软起动方案，介绍了该软起动方案的各个组成部分及其具体的运行过程，设计了一个具体电路来实现该软起动方案中的全部功能，并且详细的分析了该电路中主要组成部分的工作原理。根据设计好的电路搭建实验所需要的硬件平台，以验证该软起动方案的有效性。对电路中关键检测点波形的分析表明，该软起动方案保证了焊机电源软起动的可靠性。

焊机电源；软起动；程控单结晶体管

0 前言

焊机电源一般包含大电容负载的整流器。在上电瞬间，电容两端电压为零，此时如果整流出来的电压不经过限流电阻而直接加到电容两端，将会产生很大的冲击电流，极易造成元器件的损坏。因此，必须采取措施使得在上电的瞬间电容两端电压缓慢上升，以避免上述故障出现，这就是软起动问题。焊机电源能否可靠地软起动，对焊机电源的寿命和质量至关重要。

文献[1]～[3]对现有的软起动方案进行了总结和介绍。常用的软起动方案有：(1)串热敏电阻起动；(2)限流电阻、继电器(接触器)定时切换；(3)晶闸管整流。现有的软起动方式并不能可靠地保证焊机电源软起动，针对现有软起动方案的可靠性问题，提出了一种新的焊机电源软起动方案。

1 高可靠软起动方案

1.1 高可靠软起动方案的组成

新型软起动方案包含软起动充电电路、三相桥式整流串联晶闸管电路、电流检测与切换判决电路、滤波电容电压检测电路、脉冲电源充电电路和脉冲发生电路，如图1所示。

新型软起动方案各个部分的功能及特点：

(1)软起动充电电路在电路上电时，对滤波电容进行充电；(2)三相桥式整流串联晶闸管电路是在软起动完成时，对滤波电容进行充电；(3)电流检测与切换判决电路是对软起动充电电流进行检测，并判断是否让脉冲电源充电电路和脉冲发生电路投入运行状态；(4)滤波电容电压检测电路是对滤波电容两端电压进行检测，并判断是否让脉冲电源充电电路投入运行状态；(5)脉冲电源充电电路为脉冲发生电路提供一个较为稳定的直流电压；(6)脉冲发生电路产生频率较高的脉冲可以让晶闸管触发。

软起动充电电流ichar，可以按照ichar＝(Uin-Uc)／Re来计算，其中Uin为整流电压，Uc为滤波电容两端电压，Re为线路等效电阻、电容的ESR(等效串联电阻)与限流电阻的和。由上述计算公式可知，充电电流最终反映的是整流电路输出电压与滤波电容两端电压的差值Δ U。电压差值Δ U的大小决定了由软起动充电电路切换到三相桥式整流串联晶闸管电路时最大冲击电流imax的大小。所以软起动方案保证可靠性的关键就在于如何可靠保证电压差值Δ U较低时才进行软起动充电电路到三相桥式整流串联晶闸管电路的切换。

图1 新型软起动方案结构框图

2.2 高可靠软起动方案的运行

如图2所示，新型的软起动方案运行的步骤如下：(1)电路上电；(2)软起动充电电路对滤波电容进行充电；(3)电流检测切换判决电路对软起动充电电路的电流进行检测，同时，滤波电容电压检测电路对滤波电容两端的电压进行检测，若软起动充电电路的电流和滤波电容两端的电压都同时满足条件，则脉冲电源充电电路工作；(4)在步骤(3)的基础上，电流检测切换判决电路对软起动充电电路的电流进行检测，若软起动充电电路的电流小于设定值，则脉冲发生电路工作；(5)脉冲发生电路产生脉冲，触发三相桥式整流串联晶闸管电路中的晶闸管，切换为三相桥式整流串联晶闸管电路对滤波电容进行充电，完成电路的软起动。

由上述新型方案的组成及其运行的步骤可知，新型软起动方案可以在各种故障和干扰情况下，通过电流检测切换判决电路和滤波电容电压检测电路严格保证整流电路输出电压与滤波电容两端电压差值在安全范围内，实现由软起动充电电路到三相桥式整流串联晶闸管电路的切换，从而保证整个软起动过程的高可靠性。

图2 新型软起动方案运行流程

3 软起动方案的电路实现

新型软起动方案的电路如图3所示。二极管VD11、VD12、VD13、VD4、VD6、VD7、电阻R13、R14组成软起动充电电路；三极管V3、电容C3、电阻R5、R6、R7组成滤波电容电压检测电路；二极管VD3、VD5、电阻R4、R13、R14、R9、R11、电容C6和三极管V5组成电流检测与切换判决电路；二极管VD1、VD2、电阻R2、R4、三极管V1、电容C1和工频变压器T1组成脉冲电源充电电路；电阻R1、R3、R8、R10、R12、电容C2、C4、C5、三极管V2和程控单结晶体管V4组成脉冲发生电路；二极管VD8、VD9、VD10、VD11、VD12、VD13、晶闸管VT6组成三相桥式整流串联晶闸管电路。

下面对电路主要部分的工作原理进行分析。

(1)滤波电容两端电压的检测电路。

R5、R6和R7对滤波电容C7分压，当R5分得的电压达到V3发射极的导通电压时，T1的二次侧输出电流。这样可以通过适当选取R5、R6和R7的阻值来控制V3在C7两端电压在取适当的值时才导通。只有C7两端电压高于某个适当的阈值时，才有可能由软起动充电电路切换到三相桥式整流串联晶闸管电路。

图3 新型软起动方案的电路

(2)电流检测与切换判决电路。

R13、R14既作为限流电阻，又兼负检测充电电流的任务。降在R14的电压通过VD5对C6充电，使C6的电压基本与R14的压降相等。当软起动充电电流较大时，降在R13、R14的电压较高，C6的电压也较高。经VD1输出的峰值电压约12 V，因此，当C6的电压高于12 V时，VD2总是处于截止状态，使V1处于截止状态，脉冲发生电路不能工作。当软起动充电电流小到使C6的电压低于12 V时，VD2开始导通，使V1导通对C1进行充电。R9、R11对C6分压，适当选择R9、R11的阻值，使C6的电压大于某个适当的值时V5饱和导通，导致C2不能被充电，脉冲发生电路不工作。当C6的电压小于某个阈值时V5截止，脉冲发生电路投入工作。

(3)脉冲发生电路。

脉冲发生电路是以单结晶体管V4为核心的张弛振荡电路。当C2上电压比C1上电压低至超过V2的发射极导通电压时，C1通过R1、R3、V2的发射极给C2充电，同时也通过V2的集电极给C4充电，选择R8的阻值足够大，从而保证C4的放电速度较充电速度慢得多，因此C4上的电压能很快充到只比V2发射极电压低一个饱和压降的程度。而只要V2是导通的，C2上的电压就比V2的发射极电压低一个发射结导通电压。可见V2导通时，C4上的电压要高于C2上的电压，V4处于截止状态。当C2上的电压上升至R3上的压降小于V2发射极的导通电压时，V2截止，C2继续通过R3充电，而C4通过R8放电，直至C4上的电压比C2上的电压低到触发V4。当V4被触发而导通时，C2、C4均通过V4快速放电，并通过R12产生一脉冲电流触发晶闸管VT6。当V4恢复截止状态时，C2、C4上已只有很低的剩余电压，因此再次开始充电，即脉冲发生电路开始下一周期的脉冲产生过程，R10、C5起滤波作用，防止高频干扰电压误触发晶闸管VT6。

当电路上电时，滤波电容C7电压为零，V3不导通，此时软起动充电电流较大，V1也不导通，而V5饱和导通，因此脉冲电源充电电路和脉冲发生电路都不工作。随着C7电压不断的增大，高于电压设定值，V3导通。另一方面，软起动充电电流不断的减小，小于电流设定值，即整流电路输出电压与滤波电容两端电压的差值到达设定值。此时，脉冲电源充电电路投入运行状态，开始对C1进行充电，等C1的电压上升到合适的值，且软起动充电电流进一步减小使C6的电压降至V5截止，脉冲发生电路开始运行，电路由软起动充电状态切换为三相桥式整流充电状态。电流检测与切换判决电路及滤波电容电压检测电路构成电路安全的双保险，一旦其中一个电路因为各种原因不能工作，另一个电路单独工作也能使开关电源免受很大的冲击。此电路设计实现了新型软起动方案的功能。

4 实验结果

为了验证方案的有效性，根据图3给出的电路图做出了实物电路，并成功应用于所在实验室的电阻焊机电源的软起动。软起动电路中，脉冲触发电路所产生的触发脉冲的波形如图4所示，触发脉冲的频率约2kHz，且脉冲的幅度满足软起动中触发要求。电容C2和C4的波形如图5所示。在电压上升的阶段，C2的电压始终高于C4电压，程控单结晶体管V4不导通；当V2饱和导通，C4开始放电，而C2仍然通过R3继续充电，最终C2的电压超过C4电压，程控单结晶体管V4导通，触发脉冲产生，C2、C4迅速放电。图5验证了脉冲触发电路的设计。软起动波形如图6所示，图中的1表示滤波电容C7的充电波形(图中为其反相波形)，2表示触发脉冲波形。由于采样频率的问题，脉冲波形显得失真，但并不妨碍考察充电波形与触发脉冲的时间顺序。C7的电压首先以指数规律上升，即处于软起动充电状态，由于电流检测与切换判决电路及滤波电容电压检测电路构成电路安全的双保险，经过约1.25 s，触发脉冲产生，切换到三相桥式整流串联晶闸管电路，在切换前有约30V的压差，方案保证了切换的安全性。由上述波形及其分析可知，本软起动方案是切实有效的。

图4 触发脉冲

5 结论

提出的高可靠软起动方案通过电流检测与切换判决电路及滤波电容电压检测电路构成电路安全的双保险，可靠地保证了只有在滤波电容电压上升到合理的值时才会发生充电电路的切换，弥补了现有软起动电路可靠性不足的缺点。另外，在实现软起动方案的过程中，提出了一种新型的张弛振荡电路，具有一定的参考作用。

图5 电容C2、C4波形

图6 软起动波形

[1]周志敏，周纪海.开关电源软起动电路的设计与应用[J].电源世界，2004(12)：39-45.

[2]田龙中，李卫东.电源模块输入软起动电路的设计[J].电源技术，2002(8)：25-27.

[3]王延安，肖登明.基于DSP控制的大功率开关电源的启动方法[J].工业控制计算机，2009(22)：7.

Highly reliable soft-start scheme for welding power supply and its implementation

DU Ru-quan，WANG Jian，TIAN Lian-fang
(College of Automation Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China)

There is a soft-start problem for welding power supply，because it contains a rectifier with a large capacitive load.The current schemes are not good enough on reliability.Aiming at fixing the defects of the current ones，this article presents a new soft-start scheme with high reliability.The composition of the soft-start scheme and how they work together are shown in detail.A circuit is designed to implement the scheme.The principle of the major parts of the circuit is discussed fully.According to the circuit designed, the experimental platform is built to verify the effectiveness of the soft-start scheme.Finally，on the basis of some key waveforms of the circuit，the effectiveness of the scheme has been proved.

welding power supply；soft-start；programmable unijunction transistor

TG434.1

A

1001-2303(2011)09-0072-04

2011-03-15

广东省高等学校学科与专业建设专项资金资助项目(粤教科函[2010]119号)；广东省科技重大专项资助项目(2009A080305004)；广东省广州市番禺区科技计划资助项目(2009-Z-39-1)；广东省广州市番禺区科技计划资助项目(2010-专-12-04)

杜汝全(1986—)，男，广东高要人，在读硕士，主要从事大功率开关电源方面的研究工作。